為什麼設計是決定增材製造發展的關鍵因素？

近期，e-works記者採訪了澳汰爾高級技術工程師徐成斌，針對增材製造技術的發展現狀、研究重點、在提高材料利用率方面的優勢、未來發展趨勢，以及仿真技術可以應用於增材製造工藝的環節等問題展開了深入探討。

作者：吳星星 | 來源：e-works

您認為國內增材製造的發展現狀是什麼？目前研究的重點是什麼？

e-works 記者

徐成斌：從數量上看，中國增材製造的整體規模和速度都處於世界前列。尤其最近幾年，列印機和基於雲的列印服務商在數量上每年以2~3倍的速度在增加；從技術上看，自主品牌的設備中也不乏佼佼者，無論是製造精度、製造速度或是產品批量良品率，都與世界一線品牌處於較為相近的水平。

當然，增材製造的快速發展也產生了規模化效應，進而帶動了國外品牌的降價。現在增材製造的原材料成本和雲列印服務的費用總體都維持在5年前的五分之一到十分之一的水平，這對於增材製造技術的推廣具有非常積極地作用。

目前來看，國內在增材製造領域的研究層面上基本覆蓋了國際上所有的主要領域，例如：生物組織列印，特殊材料的列印，新型列印機研發，列印路徑規劃軟件研發等。研究重點集中在機械製造相關的領域，典型如增材製造配套的設計方法、列印相關軟件的開發、列印可用的材料的研究和製造成品質量控制的研究。

增材製造很火熱，但應用普及很是緩慢，問題出在了哪里？

e-works 記者

徐成斌：目前增材製造的普及顯得緩慢，是因為有幾個明顯的阻礙因素：成本、產量、適合增材製造的設計。成本和產量問題，應該非常好理解，這兩個問題隨著增材製造技術的的發展將不斷改善。適合增材製造的設計則是決定增材製造發展的關鍵因素。

因為增材製造設備提供的只是一種製造平台，有了平台還一定要有適合的內容。如果運用增材製造平台來製造適合傳統方式製造的產品，就會折減增材製造的價值。事實上，在增材製造的初期，製造模型往往直接來源於原來的機加工模型，在列印平台存在明顯水土不服，優點全無，成本高、速度慢的缺點倒是顯露無遺。現如今，工程人員已經普遍意識到這個問題，知道要在合適的平台搭配配套的設計，一些好方法如拓撲優化、空間曲面建模已經出現，但如何做符合增材製造的設計，總體還在摸索階段。個人相信， 經過這個階段的提升，增材製造的普及也就順理成章了。

仿真技術可以應用於增材製造工藝的哪些環節？

e-works 記者

徐成斌：仿真技術在增材製造的設計階段就可導入，一直到成品階段都有相關應用。具體而言，仿真技術在增材製造過程中可分為4個主要應用場景。

應用場景一——設計：設計階段為設計更好的具有輕量化和其他性能特點的結構，設計師可以利用仿真技術中諸如拓撲優化、形貌優化、點陣（柵格）優化等優化技術，輔助設計師創造出傳統思維中不會接受，但性能和外形都適合增材製造工藝的設計。

應用場景二——列印準備：利用仿真技術可以為需要列印的設計，做列印角度尋優的工作，最大程度減少所需支撐，規劃列印路徑。

應用場景三——製造過程仿真：模擬列印過程，如仿真材料堆積先後造成的溫度不平衡的熱應力、翹曲、收縮等工藝缺陷。

應用場景四——增材製造修補：典型應用如，增材製造用於修補時，新舊材料的融合牢固程度的仿真。

此外，目前的增材製造應用往往還需結合傳統工藝，互補各自不足，這自然會運用到相關如鑄造仿真或加工中心的仿真技術。

需要滿足什麼條件，才能應用增材製造技術生產出輕量化、高性價比的優質產品？

e-works 記者

徐成斌：想應用增材製造技術生產出輕量化、高性價比的優質產品，我認為需要具備以下三個條件：

一、優秀的輕量化設計：利用科學的方法設計出符合應用需求、質量過關、沒有過度設計冗餘的作品。

二、適合增材製造的幾何外形和材料：幾何和材料上適合所選用的增材製造設備，並且是傳統製造方式不易製造或成本上不具備優勢。

三、列印技術的發展：隨著增材製造技術發展，增材製造的平均成本進一步降低，這樣符合上面第二條的設備和材料也將越來越多。

增材製造所生產的產品表面為何不是過於粗糙，就是過於精細？

e-works 記者

徐成斌：目前的增材製造技術，無論是熔融堆積還是雷射燒結，都限定了噴頭（雷射頭）的有效大小和電機步進都僅能在非常小的範圍內調整，這如同畫畫時只允許使用一支筆，並且下筆的力度也都限定了，那麼這就造成了：當使用粗筆時，整個繪畫效率很高但繪畫精細程度不足（過於粗糙）；用細筆時，繪畫精度足夠但效率很差（過於精細）。其實同樣的問題，在早期的車床和銑床加工中也出現過，隨著數控中心的出現並且配套的自動化刀路規劃和換刀軟件的出現，這一問題也就迎刃而解。個人相信，隨著增材製造技術的發展，配備多噴頭（或大功率雷射器）的設備和與之配套的路徑規劃軟件應該同樣能改善直至解決這一現狀。

與傳統製造方式相比，增材製造在提高材料利用率方面有什麼優勢嗎？

e-works記者

徐成斌：增材製造能提高材料利用率是顯而易見的。在加工過程中，傳統製造主要以減材製造為主，在車銑刨磨過程中產生大量切除的廢棄物，而增材製造只要合理回收粉料，就可用於二次生產，幾乎不存在多餘浪費，即使是考慮支撐材料，其重量也遠少於傳統製造所需要去除的材料。

而在設計端，由於不再受加工方法的限制，結構設計只需要其真正需要的材料了，例如某結構需要提高剛度，在傳統設計中因為考慮加工方便常常添加一整塊肋板，在增材製造中可以直接製造出一根筋條達到相同的效果，而材料僅使用原有的一半甚至更少。這就如同廚師不必再為一根香腸，而買一頭豬一樣，合理且高效。

增材製造未來發展的趨勢是什麼？

e-works 記者

徐成斌：總體而言，目前增材製造還處於整個技術的早期，未來大型化、微型化、多種材料支持、微重力環境支持、鏈接雲端、列印平台與列印頭多向可動（類似於機械加工的五軸，製造任何結構都無需支撐）等都是可能的發展方向，而所有的發展趨勢最終都需滿足人對製造的需求。

採訪對象：

澳汰爾高級技術工程師

徐成斌